LNG接收站氣化器自主化進(jìn)展

　　隨著國內(nèi)液化天然氣（liquefiednaturalgas，LNG）產(chǎn)業(yè)鏈日趨完整，超低溫技術(shù)領(lǐng)域逐步成熟。因LNG領(lǐng)域的局限性，國內(nèi)引入LNG接收站之初，大型裝備與技術(shù)均由國外公司壟斷，采購談判地位被動(dòng)，項(xiàng)目投資控制難度大。面對(duì)“天價(jià)”進(jìn)口設(shè)備，國內(nèi)LNG相關(guān)投資企業(yè)、制造企業(yè)陸續(xù)開始通過技術(shù)改造、產(chǎn)學(xué)研合作等方式，開展LNG裝備自主化，攻堅(jiān)克難，打破國外技術(shù)壟斷。

　　中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡稱“氣電集團(tuán)”）作為國內(nèi)主要的LNG項(xiàng)目投資單位，率先在國內(nèi)開展LNG裝備自主化研制工作，先后在LNG全容儲(chǔ)罐、開架式氣化器（ORV）、中間介質(zhì)氣化器（IFV）、LNG潛液泵、槽車裝車橇、防爆旋臂起重機(jī)等重大關(guān)鍵設(shè)備取得自主化技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)市場應(yīng)用推廣。

　　開架式氣化器和中間介質(zhì)氣化器是LNG關(guān)鍵設(shè)備自主化項(xiàng)目的重中之重，作為LNG接收站中的基本負(fù)荷型氣化器，國際上被日本企業(yè)壟斷（神戶制鋼KOBELCO和住友SUMITOMO），設(shè)備貿(mào)易易受國際局勢(shì)變化的影響，存在設(shè)備報(bào)價(jià)不合理、價(jià)格波動(dòng)大和供貨周期無法保證等情況。隨著自主化LNG氣化器的成功推廣，由過去完全依賴日本供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)閾碛凶灾骱诵某商准夹g(shù)，從設(shè)計(jì)到制造、從中試到工業(yè)化、從成果鑒定到成功推廣，探索出LNG產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵自主化的實(shí)現(xiàn)路徑，為今后的LNG設(shè)備自主化項(xiàng)目提供有效指導(dǎo)。

　　1 LNG氣化器

　　LNG氣化器是LNG接收站的核心設(shè)備之一，是LNG接收站除大型儲(chǔ)罐外單體投資最大、最重要的設(shè)備，其中ORV、IFV是目前國際上應(yīng)用最普遍的LNG氣化器。ORV具有經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，IFV具有換熱效率高、設(shè)備緊湊占地面積小、海水水質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在中國、日本、韓國和歐洲被廣泛使用。我國已建成的大鵬LNG、莆田L(fēng)NG、上海LNG、如東LNG等10余座接收站均選用上述2種氣化器之一作為基本負(fù)荷型氣化器使用。

　　開架式氣化器（openrackvaporizer，ORV）利用海水作為熱源，通過覆蓋在開放的薄層管束上的海水液膜降落來氣化管束里的LNG，管束兩端由集箱管連接，具有經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

　　中間介質(zhì)氣化器（intermediatefluidvaporizer，IFV）將3個(gè)管殼式熱交換器組合，利用沸點(diǎn)很低的丙烷作為中間介質(zhì)來氣化LNG，避免海水直接氣化LNG時(shí)出現(xiàn)結(jié)冰的情況，適用于海水條件較差的工況。具有海水適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　2種氣化器的原理如圖1、圖2所示。

　　2技術(shù)難點(diǎn)與攻關(guān)

　　國內(nèi)LNG接收站項(xiàng)目的ORV、IFV設(shè)備主要依賴進(jìn)口，設(shè)計(jì)制造技術(shù)長期被日本企業(yè)壟斷，存在供貨渠道單一、供貨期長、采購受限等問題。2010年起，氣電集團(tuán)與航天科工哈爾濱風(fēng)華有限公司（以下簡稱“航天科工”）、江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司（以下簡稱“中圣集團(tuán)”）啟動(dòng)LNG氣化器自主化聯(lián)合攻關(guān)，完成氣化器傳熱模型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)開發(fā)，在高效換熱管、介質(zhì)分布系統(tǒng)、換熱管焊接技術(shù)、海水防腐涂層技術(shù)取得重大突破，成功研制LNG氣化器，徹底擺脫依賴進(jìn)口的局面，降低國內(nèi)項(xiàng)目采購和維護(hù)成本。

　　2.1開架式氣化器核心技術(shù)開發(fā)

　?。?）異型換熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　換熱管是整個(gè)LNG氣化器最主要的傳熱元件，也是LNG氣化器中的核心部分。對(duì)于開架式氣化器而言，換熱管結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)換熱管不同，設(shè)計(jì)上需要綜合考慮傳熱效率、承壓能力、強(qiáng)度、換熱面積、防結(jié)冰、翅片結(jié)構(gòu)、水膜均勻分布、管內(nèi)流體流動(dòng)等因素。因此，換熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為氣化段和加熱段2個(gè)階段。在氣化段內(nèi)，換熱管內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)插件和擾流子。在加熱段內(nèi)，換熱管內(nèi)部設(shè)有擾流子，作用是強(qiáng)化管內(nèi)流體的湍流程度，提高傳熱系數(shù)。換熱管外表面采用星型分布結(jié)構(gòu)，有效增大換熱面積，使海水水膜均勻流動(dòng)，保證換熱性能。

　　經(jīng)過反復(fù)建模與模擬計(jì)算，成功開發(fā)性能優(yōu)于常規(guī)進(jìn)口ORV設(shè)備的高效異型換熱管，換熱管的外周設(shè)有多個(gè)直翅片，呈中心對(duì)稱的波紋狀凸起，換熱管同一截面上的翅片高度不相同，外翅片不僅增大了換熱面積并且有利于海水的分布，強(qiáng)化了海水側(cè)換熱。換熱管的內(nèi)壁在圓周方向設(shè)有多個(gè)內(nèi)翅片，合理的內(nèi)翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)可有效減小傳熱管外部結(jié)冰層的厚度。

　?。?）鋁合金焊接工藝

　　ORV屬于超高壓壓力容器，設(shè)計(jì)壓力在10MPa以上，焊接工藝要求極高，包括換熱管分布密集、作業(yè)空間狹小、焊接位置不規(guī)則、不銹鋼與鋁合金的過濾焊接等設(shè)備制造的攻關(guān)難點(diǎn)。鋁合金換熱管經(jīng)擠壓工藝完成制造后，需要與LNG/NG集合管進(jìn)行鋁合金焊接，ORV的進(jìn)出口需要與工藝區(qū)不銹鋼管線鏈接，需要考慮不同材質(zhì)的過渡焊接。

　　通過不斷研究、試驗(yàn)和評(píng)定，最終徹底掌握鋁合金管之間的焊接工藝、鋁不銹鋼過渡接頭爆炸焊接工藝，攻克開架式氣化器的核心焊接工藝。

　?。?）海水防腐涂層技術(shù)

　　ORV運(yùn)行在海洋環(huán)境中，鋁合金換熱管長期經(jīng)受海水沖刷，如換熱管表面防腐涂層設(shè)計(jì)不合理，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕、換熱管厚度不均、泄露等情況。換熱管噴涂的厚度過薄，涂層壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；涂層厚度過厚，不僅減弱涂層附著力，也影響換熱性能。通過開發(fā)的適用于開架式氣化器的熱噴涂技術(shù)，涂裝耐海水腐蝕的Al-Zn合金涂層，耐沖刷、耐腐蝕性能好，提高涂層使用壽命。同時(shí)，通過研究涂層腐蝕原理，根據(jù)不同區(qū)域海水水質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)防腐涂層的適應(yīng)性配置。

　　2.2中間介質(zhì)氣化器核心技術(shù)開發(fā)

　　（1）傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)IFV原理可知，海水在水平管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流換熱，水平管束外丙烷的池沸騰換熱；超臨界LNG在水平管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流換熱，水平管束外丙烷的膜狀凝結(jié)換熱，NG氣體橫掠管束的強(qiáng)制對(duì)流換熱。IFV的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何合理地布置3個(gè)管殼式換熱器，一方面要滿足LNG氣化能力和出口溫度的設(shè)計(jì)要求，另一方面要考慮LNG超臨界狀態(tài)下的壓力和溫度變化。通過數(shù)次計(jì)算選擇最終合適的關(guān)聯(lián)式，確定最優(yōu)氣化性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　?。?）核心焊接工藝與換熱管材料開發(fā)

　　IFV也屬于超高壓壓力容器，設(shè)計(jì)壓力根據(jù)下游管網(wǎng)壓力情況，一般為12MPa以上，根據(jù)換熱器內(nèi)介質(zhì)的不同合理選材，采用可靠的焊接工藝十分關(guān)鍵。IFV設(shè)備的使用工況是在海水條件較差的沿海地區(qū)，換熱管選材上需要充分考慮含有重金屬離子、高泥沙的海水。因此，IFV的選材采用大部分碳鋼、部分不銹鋼、換熱管鈦合金的組合，保證設(shè)備整體的設(shè)計(jì)合理性和經(jīng)濟(jì)性。

　　3個(gè)換熱器的換熱管與管板連接上采用特殊的焊接工藝方法，既保證管板與換熱管連接的密封性能又可以確?？估械膹?qiáng)度，大大加強(qiáng)了連接的可靠性。

　?。?）設(shè)備監(jiān)控技術(shù)優(yōu)化

　　丙烷是IFV的中間介質(zhì)，起著能量轉(zhuǎn)換的作用，充裝量的控制至關(guān)重要。在丙烷的液位控制上，為了準(zhǔn)確地對(duì)丙烷的充裝量進(jìn)行控制，控制方式設(shè)計(jì)上采用了遠(yuǎn)程控制和就地顯示相結(jié)合的監(jiān)控方式，使得液位控制更加準(zhǔn)確。

　　2.3自主化

　　LNG氣化器參數(shù)自主化ORV產(chǎn)品參數(shù)：采用模塊化設(shè)計(jì)，單臺(tái)最大LNG氣化量可達(dá)260t/h；單臺(tái)最高設(shè)計(jì)壓力16MPa；單臺(tái)設(shè)計(jì)溫度-170~+65℃；設(shè)備使用壽命滿足30年要求；具備使用ORV海水條件的國內(nèi)外區(qū)域。

　　自主化IFV產(chǎn)品參數(shù)：因運(yùn)輸條件限制，單臺(tái)最大LNG氣化量可達(dá)250t/h；單臺(tái)最高設(shè)計(jì)壓力25MPa；單臺(tái)設(shè)計(jì)溫度-170~+65℃；設(shè)備使用壽命滿足30年要求；具備使用IFV海水條件的國內(nèi)外區(qū)域。

　　3自主化實(shí)施路徑

　　根據(jù)LNG氣化器的案例，總結(jié)裝備自主化技術(shù)路線如圖3所示。

　　4自主化成果介紹

　　氣電集團(tuán)分別與航天科工、中圣集團(tuán)開展IFV、ORV聯(lián)合研制工作，先后完成5t/hORV中試樣機(jī)、157.5t/hORV工程樣機(jī)、175t/hIFV工程樣機(jī)，在福建LNG、海南LNG、浙江LNG完成產(chǎn)品中試和工業(yè)化測試，成果成功推廣至北海LNG。

　　ORV工程樣機(jī)在海南LNG作為主氣化器使用超過1200h；IFV工程樣機(jī)在浙江LNG作為主氣化器使用超過2400h。設(shè)備測試期間，自主化產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品均進(jìn)行性能對(duì)比測試，換熱效果達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。自主化IFV、ORV通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定，成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　歷經(jīng)數(shù)年的科研攻關(guān)，LNG氣化器技術(shù)從調(diào)研前期到項(xiàng)目落地，真正迎來科研“開花結(jié)果”、產(chǎn)業(yè)“乘風(fēng)起航”。

　　5關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與注意事項(xiàng)

　　5.1設(shè)備制造要求

　　國內(nèi)制造企業(yè)的選擇應(yīng)滿足以下基本要求：相關(guān)產(chǎn)品制造許可、制造資質(zhì)，符合ASME、API、GB等國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)強(qiáng)制規(guī)范要求，擁有產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造能力和工廠試驗(yàn)條件，具備相關(guān)產(chǎn)品的制造業(yè)績。產(chǎn)品中試樣機(jī)、工程樣機(jī)的制造應(yīng)配套完整的質(zhì)量把控體系，全程控制設(shè)備質(zhì)量，并由制造企業(yè)提供出廠合格證及相關(guān)測試證書。壓力容器設(shè)備應(yīng)該具有當(dāng)?shù)劐仚z所出具的《性能監(jiān)督檢驗(yàn)證書》，隨設(shè)備文件資料符合樣機(jī)使用所在地辦理壓力容器使用登記的要求。

　　5.2測試平臺(tái)建造要求

　　測試平臺(tái)建造要求嚴(yán)格按照工程項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，保證測試平臺(tái)質(zhì)量與測試運(yùn)行期間安全。測試平臺(tái)施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)理3方單位應(yīng)當(dāng)具備項(xiàng)目承攬資質(zhì)。根據(jù)LNG氣化器自主化過程經(jīng)驗(yàn)，測試平臺(tái)施工提前考慮擬建場地項(xiàng)目的一期擴(kuò)建或二期預(yù)留的設(shè)計(jì)統(tǒng)一性，避免出現(xiàn)誤操作。

　　5.3產(chǎn)品試驗(yàn)要求

　　研制產(chǎn)品的試車、運(yùn)行測試應(yīng)提前編制《試車（測試）大綱》、《試驗(yàn)應(yīng)急預(yù)案》、《中試/終試測試方案》、《設(shè)備操作與維護(hù)手冊(cè)》，做好材料宣傳與操作培訓(xùn)，保證項(xiàng)目生產(chǎn)安全，專業(yè)準(zhǔn)確地進(jìn)行產(chǎn)品工業(yè)化應(yīng)用測試。

　　5.4產(chǎn)品成型與鑒定要求

　　科研產(chǎn)品核心技術(shù)完成設(shè)計(jì)后，立即啟動(dòng)核心技術(shù)的專利申請(qǐng)，以保護(hù)自主核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)，構(gòu)建LNG裝備技術(shù)專利池?？蒲挟a(chǎn)品通過工業(yè)化應(yīng)用后，按照國家科技部關(guān)于《科學(xué)技術(shù)成果鑒定辦法》的要求，立即向有權(quán)組織鑒定的機(jī)關(guān)或組織提出科研成果鑒定申請(qǐng)，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、范圍及創(chuàng)新性，形成整套科研成果的產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

　　目前，本行業(yè)內(nèi)的主要鑒定單位：國家工業(yè)和信息化部、中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、省科學(xué)技術(shù)廳。

　　6總結(jié)

　　自主化LNG氣化器的成功研制打破國外壟斷，實(shí)現(xiàn)大幅度降低采購成本和維護(hù)成本。據(jù)初步測算，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國內(nèi)配套制造后，采購價(jià)格將比進(jìn)口降低30％以上，涂層維護(hù)價(jià)格降低60%以上，供貨周期可控制在12個(gè)月內(nèi)。同時(shí)，售后維護(hù)成本可降低50％左右，并且設(shè)備故障響應(yīng)周期與設(shè)備維修消耗時(shí)間也將大幅度縮短。提高在LNG產(chǎn)業(yè)鏈上的核心設(shè)備自主化，增強(qiáng)國內(nèi)企業(yè)在LNG氣化器設(shè)備采購的主動(dòng)性，徹底擺脫依賴進(jìn)口的局面同時(shí)，還將帶動(dòng)內(nèi)需，提高國內(nèi)裝備制造技術(shù)水平。

　　隨著國內(nèi)液化天然氣業(yè)務(wù)的發(fā)展，LNG氣化器自主化成果可直接用于各個(gè)LNG接收站，根據(jù)目前國內(nèi)主要石油企業(yè)的LNG項(xiàng)目“十三五”規(guī)劃及遠(yuǎn)期規(guī)劃，需要配套相當(dāng)數(shù)量的LNG氣化器，考慮在設(shè)備價(jià)格、采購周期、故障維修、響應(yīng)時(shí)間等方面顯著的優(yōu)勢(shì)，自主化LNG氣化器應(yīng)用于LNG產(chǎn)業(yè)中具有進(jìn)口設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢(shì)，有望全面替代進(jìn)口產(chǎn)品，市場前景十分廣闊。（文/黃宇 陳海平 宋坤，中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司）